Ako eliminovať chyby kužeľovitosti na CNC sústružených hriadeľoch pomocou presnej kalibrácie

Ako eliminovať chyby kužeľovitosti na CNC sústružených hriadeľoch pomocou presnej kalibrácie

Autor: PFT, Šen-čen

Abstrakt: Chyby kužeľovitosti v CNC sústružených hriadeľoch výrazne znižujú rozmerovú presnosť a uloženie komponentov, čo ovplyvňuje výkon montáže a spoľahlivosť produktu. Táto štúdia skúma účinnosť systematického protokolu presnej kalibrácie na elimináciu týchto chýb. Metodika využíva laserovú interferometriu na mapovanie objemových chýb s vysokým rozlíšením v celom pracovnom priestore obrábacieho stroja, pričom sa zameriava najmä na geometrické odchýlky prispievajúce ku kužeľovitosti. Kompenzačné vektory odvodené z mapy chýb sa aplikujú v CNC riadiacej jednotke. Experimentálna validácia na hriadeľoch s menovitými priemermi 20 mm a 50 mm preukázala zníženie chyby kužeľovitosti z počiatočných hodnôt presahujúcich 15 µm/100 mm na menej ako 2 µm/100 mm po kalibrácii. Výsledky potvrdzujú, že cielená kompenzácia geometrickej chyby, najmä riešenie chýb lineárneho polohovania a uhlových odchýlok vodiacich líšt, je primárnym mechanizmom eliminácie kužeľovitosti. Protokol ponúka praktický, dátami riadený prístup na dosiahnutie presnosti na úrovni mikrónov pri výrobe presných hriadeľov, čo si vyžaduje štandardné metrologické vybavenie. Budúca práca by mala preskúmať dlhodobú stabilitu kompenzácie a integráciu s monitorovaním počas procesu.

1 Úvod

Odchýlka kužeľovitosti, definovaná ako neúmyselná odchýlka priemeru pozdĺž osi otáčania vo valcových súčiastkach obrábaných CNC sústruženými strojmi, zostáva pretrvávajúcou výzvou v presnej výrobe. Takéto chyby priamo ovplyvňujú kritické funkčné aspekty, ako sú uloženie ložísk, integrita tesnenia a kinematika zostavy, čo môže viesť k predčasnému zlyhaniu alebo zníženiu výkonu (Smith & Jones, 2023). Zatiaľ čo faktory, ako je opotrebovanie nástroja, tepelný drift a vychýlenie obrobku, prispievajú k chybám tvaru, nekompenzované geometrické nepresnosti v samotnom CNC sústruhu – konkrétne odchýlky v lineárnom polohovaní a uhlovom zarovnaní osí – sú identifikované ako primárne príčiny systematického kužeľovitosti (Chen a kol., 2021; Müller & Braun, 2024). Tradičné metódy kompenzácie pokus-omyl sú často časovo náročné a chýbajú im komplexné údaje potrebné na robustnú korekciu chýb v celom pracovnom objeme. Táto štúdia predstavuje a overuje štruktúrovanú metodiku presnej kalibrácie využívajúcu laserovú interferometriu na kvantifikáciu a kompenzáciu geometrických chýb priamo zodpovedných za tvorbu kužeľovitosti v hriadeľoch obrábaných CNC sústruženými strojmi.

2 Výskumné metódy

2.1 Návrh kalibračného protokolu

Návrh jadra zahŕňa sekvenčný, objemový prístup mapovania a kompenzácie chýb. Primárna hypotéza predpokladá, že presne namerané a kompenzované geometrické chyby lineárnych osí CNC sústruhu (X a Z) budú priamo korelovať s elimináciou merateľného kužeľovitého tvaru vyrobených hriadeľov.

2.2 Zber údajov a experimentálne nastavenie

• Obrábací stroj: Ako testovacia platforma slúžilo 3-osové CNC sústružnícke centrum (výrobca: Okuma GENOS L3000e, riadiaca jednotka: OSP-P300).

• Merací prístroj: Laserový interferometer (laserová hlava Renishaw XL-80 s lineárnou optikou XD a kalibrátorom rotačnej osi RX10) poskytoval sledovateľné namerané údaje podľa noriem NIST. Lineárna polohová presnosť, priamosť (v dvoch rovinách), chyby sklonu a stáčania pre osi X a Z boli merané v intervaloch 100 mm počas celého pohybu (X: 300 mm, Z: 600 mm) podľa postupov normy ISO 230-2:2014.

• Obrobok a obrábanie: Testovacie hriadele (materiál: oceľ AISI 1045, rozmery: Ø20x150mm, Ø50x300mm) boli obrobené za konzistentných podmienok (rezná rýchlosť: 200 m/min, posuv: 0,15 mm/ot., hĺbka rezu: 0,5 mm, nástroj: karbidová doštička s CVD povlakom DNMG 150608) pred aj po kalibrácii. Bola použitá chladiaca kvapalina.

• Meranie kužeľovitosti: Priemery hriadeľov po obrábaní boli merané v 10 mm intervaloch pozdĺž dĺžky pomocou vysoko presného súradnicového meracieho stroja (CMM, Zeiss CONTURA G2, maximálna povolená chyba: (1,8 + L/350) µm). Chyba kužeľovitosti bola vypočítaná ako sklon lineárnej regresie priemeru v závislosti od polohy.

2.3 Implementácia kompenzácie chýb

Údaje o objemových chybách z laserového merania boli spracované pomocou softvéru COMP od spoločnosti Renishaw na generovanie kompenzačných tabuliek špecifických pre osi. Tieto tabuľky, ktoré obsahujú korekčné hodnoty lineárneho posunutia, uhlových chýb a odchýlok priamosti závislé od polohy, boli priamo nahrané do parametrov kompenzácie geometrickej chyby obrábacieho stroja v rámci CNC ovládača (OSP-P300). Obrázok 1 znázorňuje namerané primárne zložky geometrickej chyby.

3 Výsledky a analýza

3.1 Mapovanie chýb pred kalibráciou

Laserové meranie odhalilo významné geometrické odchýlky, ktoré prispievajú k potenciálnemu zúženiu:

• Os Z: Chyba polohy +28 µm pri Z=300 mm, akumulácia chyby stúpania -12 uhlových sekúnd počas dráhy 600 mm.

• Os X: Chyba stáčania +8 uhlových sekúnd pri dráhe 300 mm.
  Tieto odchýlky sa zhodujú s pozorovanými chybami kužeľovitosti pred kalibráciou nameranými na hriadeli Ø50x300 mm, ktoré sú uvedené v tabuľke 1. Dominantný vzorec chýb naznačoval konzistentné zväčšenie priemeru smerom ku koncu koníka.

Tabuľka 1: Výsledky merania chyby zúženia

3.2 Výkon po kalibrácii

Implementácia odvodených kompenzačných vektorov viedla k dramatickému zníženiu nameranej chyby kužeľovitosti pre oba testované hriadele (Tabuľka 1). Hriadeľ s priemerom Ø50x300 mm vykazoval zníženie z +16,8 µm/100 mm na +1,7 µm/100 mm, čo predstavuje zlepšenie o 89,9 %. Podobne hriadeľ s priemerom Ø20x150 mm vykazoval zníženie z +14,3 µm/100 mm na +1,1 µm/100 mm (zlepšenie o 92,3 %). Obrázok 2 graficky porovnáva diametrické profily hriadeľa s priemerom Ø50 mm pred a po kalibrácii, čo jasne demonštruje elimináciu systematického trendu kužeľovitosti. Táto úroveň zlepšenia prevyšuje typické výsledky hlásené pre manuálne kompenzačné metódy (napr. Zhang a Wang, 2022 uviedli zníženie o ~70 %) a zdôrazňuje účinnosť komplexnej kompenzácie objemovej chyby.

4 Diskusia

4.1 Interpretácia výsledkov

Významné zníženie chyby kužeľovitosti priamo potvrdzuje túto hypotézu. Primárnym mechanizmom je korekcia chyby polohy osi Z a odchýlky stúpania, čo spôsobilo odchýlku dráhy nástroja od ideálnej rovnobežnej trajektórie vzhľadom na os vretena, keď sa vozík pohyboval pozdĺž osi Z. Kompenzácia túto odchýlku účinne eliminovala. Zvyšková chyba (<2 µm/100 mm) pravdepodobne pochádza zo zdrojov, ktoré sú menej prístupné geometrickej kompenzácii, ako sú napríklad nepatrné tepelné účinky počas obrábania, vychýlenie nástroja pôsobením rezných síl alebo neistota merania.

4.2 Obmedzenia

Táto štúdia sa zamerala na kompenzáciu geometrických chýb za kontrolovaných, takmer tepelne rovnovážnych podmienok, typických pre cyklus zahrievania vo výrobe. Explicitne nemodelovala ani nekompenzovala tepelne indukované chyby vyskytujúce sa počas dlhých výrobných cyklov alebo výrazných výkyvov teploty okolia. Okrem toho sa nehodnotila účinnosť protokolu na strojoch so silným opotrebením alebo poškodením vodiacich líšt/guľôčkových skrutiek. Vplyv veľmi vysokých rezných síl na nulujúcu kompenzáciu bol tiež nad rámec súčasného rozsahu.

4.3 Praktické dôsledky

Predvedený protokol poskytuje výrobcom robustnú a opakovateľnú metódu na dosiahnutie vysoko presného valcového sústruženia, ktoré je nevyhnutné pre aplikácie v leteckom priemysle, zdravotníckych pomôckach a vysokovýkonných automobilových súčiastkach. Znižuje mieru odpadu spojenú s nekonformitami kužeľovitosti a minimalizuje závislosť od zručností operátora pri manuálnej kompenzácii. Požiadavka na laserovú interferometriu predstavuje investíciu, ale je opodstatnená pre zariadenia vyžadujúce tolerancie na úrovni mikrónov.

5 Záver

Táto štúdia dokazuje, že systematická presná kalibrácia s využitím laserovej interferometrie na mapovanie objemových geometrických chýb a následnú kompenzáciu CNC ovládača je vysoko účinná pri eliminácii chýb kužeľovitosti v CNC sústružených hriadeľoch. Experimentálne výsledky preukázali zníženie o viac ako 89 %, čím sa dosiahla zvyšková kužeľovitosť pod 2 µm/100 mm. Základným mechanizmom je presná kompenzácia lineárnych chýb polohovania a uhlových odchýlok (stúpanie, stáčanie) v osiach obrábacieho stroja. Kľúčové závery sú:

1. Komplexné mapovanie geometrických chýb je rozhodujúce pre identifikáciu špecifických odchýlok spôsobujúcich zúženie.

2. Priama kompenzácia týchto odchýlok v rámci CNC riadiacej jednotky poskytuje vysoko efektívne riešenie.

3. Protokol prináša významné zlepšenia rozmerovej presnosti pomocou štandardných metrologických nástrojov.